复杂气动噪声源的波束形成原理与方法研究

The novel beamforming based acoustic visualization theories and methodologies will be studied to analyze complicated aerodynamic noise. The aerodynamic noise is composed of three kinds of typical aerodynamic acoustic sources which are monopole, dipole and quadrupole sources. Firstly, the novel beamforming theories for dipole and quadrupole will be derived to establish new visualization methodologies for a single kind of aerodynamic acoustic sources, by which the acoustic sources of dipole and quadrupole with arbitrary number, locations, source strengths and directivities can be identified. The novel beamforming theory for identifying combined sources of the three typical sources will then be derived, and the corresponding visualization methodology will be developed to analyze complicated aerodynamic noise. Since many aerodynamic noise sources are in fast movement, the novel beamforming approaches for the visualization of high-speed moving aerodynamic sources will be developed by eliminating the Doppler effect from the array signals. Experimental verification will be finished to validate the proposed beamforming theories and methodologies in an anechoic chamber and an anechoic chamber with a compressor, respectively. The achievement of this project will result in some new experimental techniques for analyzing aerodynamic noise, which can be used to identify source characteristics such as locations, frequencies, kinds and strengths. The methodologies can also be used to understand the mechanism of aerodynamic noise, and to validate the results from theoretical research and numerical calculation.

针对气动噪声源分析与控制的需求，研究波束形成新原理和方法，用于分析由单极子、偶极子和四极子三类典型声源组合而成的复杂气动噪声源，以及运动中的气动噪声源。首先研究基于传声器阵列测量，分别反演偶、四极子源的原理，建立针对单一类型气动声源的波束形成新方法，实现任意数量、位置、源强和指向性的偶、四极子声源的声成像。进而反演由单、偶和四极子组成的复杂声源的新原理，建立相应的波束形成方法，实现声成像。很多气动噪声源是高速运动声源，拟进一步研究从阵列信号中解耦运动中的偶、四极子声源多普勒效应的原理和方法，发展适用于运动气动声源声成像的波束形成方法，实现高速运动的气动声源的声成像。分别在消声室和压气机试验台全消声室中实验研究，验证上述原理和方法。应用本课题成果，可形成实验分析气动噪声源的新技术，用于获取气动声源位置、频率、类型、源强等信息，也可用于实验验证气动噪声理论研究和数值计算的结果。

本课题以气动噪声的测试方法目标，进行了系统而深入的研究，主要内容如下：.（1）研究了静止及旋转运动气动声源的声源定位方法的特点，包括指向性声源的定位，不同运动模式的声源定位，风洞测试复杂背景噪声下的声源信号提取等问题。发现，经典波束形成方法是基于单极子声源模型的，不适用于包含偶极子和四极子声源的气动噪声，在声成像中会得到错误的成像结果，无法实现气动声源定位；现有的波束形成也无法实现对转等多种声源运动模式下的声成像。.（2）基于最大输出原则，提出了偶极子声源的波束形成新理论和新方法，能够在偶极子声源的位置和轴线方向两个重要参数均未知的情况下，获得波束形成声成像，实现偶极子声源的准确定位。相比比传统波束形成，最大误差从15%降低到6%以下，并能一定条件下准确识别声源类型。.（3）提出了多极子声源的波束形成方法，通过在互谱矩阵中去除声源指向性对不同阵列采集到的信号相位差的影响，实现了单极子、偶极子和四极子声源的波束形成声源定位。.（4）根据旋转叶片气动偶极子声源的特点，提出了旋转偶极子声源的轴线方向时变模型，建立旋转偶极子声源的波束形成新理论，突破了旋转声源波束形成要求阵列中心轴线必须与旋转声源同轴的限制，实现任意方向、位置的旋转偶极子声源声成像，极大地拓展了波束形成在风扇、旋翼噪声定位中的应用场景。.（5）提出了针对多种运动模式的旋转声源波束形成的新理论和新方法，能够去除不同运动模式声源的相互影响，实现正转、反转和静止声源的波束形成声成像..（6）针对风洞试验中存在强干扰的复杂背景噪声测量条件，提出了部分相干背景噪声下的波束形成方法。将阵列采集到的声源和背景噪声信号成分描述为矩阵的低秩和稀疏特征，并利用优化方法实现二者分离。利用分离出的声源信号成分进行波束形成，可以在强干扰的测量条件下实现更高的波束形成信噪比输出。.（7）设计并建成了多台试验台架，包括：小尺寸偶极子音箱、旋转声源试验台，小型旋翼试验台。按照从简单到复杂，从静止到运动，从可控声源到不可控声源，从标准声源到气动声源的不断深入，进行了一系列的验证试验，验证了提出的理论和方法正确性。